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Charge neutralization

(negative ion injection)

Charge neutralization

(low energy positive ion)

CF polymer coverage High energy ion

bombardment

Selectivity of SiO2 to Si

図 イオンアシストエッチング概念図 系ガスによる エッチング

母ガスのガス種及び組成

前述のように、被エッチング材料及び求められるプロセス特性によりガス種とその 組成を最適化する必要がある。ガス種及び組成により、プラズマ中で生成される正 負イオン、電子、ラジカルの組成及び数密度は大きく変化する。すなわち、反応性 プラズマのエッチング特性は大きく影響される。

ガス圧力

母ガスの圧力の変化により気相中で母ガスの衝突確率 衝突周波数 が変化をする。

通常、ドライエッチングで使用されるガス圧力においては、母ガス圧力を上昇させ ることで、気相中の電子の平均エネルギーは低下する。これは電子 母ガス間の衝突 周波数の増加が主な要因である。また、プラズマ密度は基本的には増大すると考え て良い。中性ラジカル種の数密度及び組成も母ガス圧力に大きく影響されるため、

エッチング特性も大きな影響を受ける。また、基板に入射するイオンのシース内で の衝突周波数も変化するため、入射イオンの指向性も影響を受ける。具体的には、

シース内でのイオンの衝突確率が高くなる高圧力ではイオンの指向性と平均エネル ギーは低下する。シース幅は数 程度であり、イオンの平均自由行程は圧力

以下で数 以上となる。ドライエッチング時の圧力が通常 以下に設定され るのは主にこのためである。

ガス流量

ガス流量により、リアクタ内での中性粒子 ラジカル、反応生成物等 の滞在時間及 び空間分布が大きく変化する。ガス流用を制御することで、面内のラジカル均一性 を改善することが可能である。 加えて、エッチングに関与する中性ラジカル種はプ ラズマ中で生成されるために、気相中での反応生成及び消滅過程を考慮したプロセ ス設計が必要となり、プラズマ中での中性ラジカル種の輸送過程及び生成消滅過程 を解析することは必要不可欠である。本研究では、長寿命の準安定励起原子をプロー ブとした中性粒子の輸送及び生成消滅過程の実験的解析を行っている。 流量を適切 に制御することにより、気相中での中性ラジカル種及び反応生成物の挙動 数密度、

組成等 を制御できる。また、流量を適切に制御することにより、リアクタ壁への反 応生成物等の付着もある程度可能である。

プラズマ源の電力と周波数

プラズマ源の電力はプラズマ生成のためにリアクタに供給される高周波電源の電力 である。基本的には、電力増加と共にプラズマ密度は線形に増加する。しかし、主 に高密度プラズマ領域では荷電粒子間のクーロン衝突の影響が顕在化するためプラ

ズマ密度の増加は緩やかになる。また、電源周波数はプラズマ中の電子の加熱 エネ ルギー供給 機構を決定の決定要因の一つである。電子のエネルギー分布

は駆動電源周波数に大きく依存する。通常、電源周波数

の増加と共にプラズマ密度は増加する。これは、高周波一周期内の電子の移動距離 が短くなり、リアクタ壁への電子損失が少なくなるために効率の良いプラズマの生 成維持が出来るためである。一方で、電源周波数が高くなると電波の波長がリアク タ系の数倍となり、

コイル、電極上の場所により電圧 電流 位相が一様でなくなる 定常波効果。

周波数が数百 以上ではこの影響が顕著になるため、電極またはコイルの 形状を電源周波数に合わせた特殊形状にする必要がある。

外部の電子機器へ電波の影響が増大し、これを防ぐためにプラズマ源のシール ド等を厳重にする必要がある。

このように、電源周波数を増大させると取り扱いが幾分困難になるのも事実である。

バイアス電圧及びバイアス周波数

前述のようにバイアス電圧は基板に入射するイオンのエネルギーを制御し、エッチ ングを促進するために印加される。基板に入射するイオンのエネルギーは主に以下 の要素に依存する。

基板が設置されたバイアス電極とバイアス電極前面のプラズマポテンシャルの 電位差

イオンがバイアス電極前面のシース領域を通過する間のイオンの衝突確率 上記のシース領域をイオンが通過するために要する時間とバイアス一周期の比 基板及びリアクタ壁温度

基板温度はエッチング中に表面で進行する種々過程に影響を与え、側壁保護膜や表 面反応層の組成にも影響を与える。リアクタ表面での粒子の付着確率も表面温度に 大きく依存する。

上記のように、外部プラズマパラメータとプラズマ及びエッチング特性は密接かつ複雑に 関連していることがわかる。換言すれば、プラズマプロセスの最適化のためには上記のパ ラメータすべてを的確に制御する必要がある。

プラズマエッチャーに求められる特性

現在、プラズマエッチャーには主に以下のような特性が求められている。

プラズマの生成とイオンエネルギーの独立制御のための機能分離 これは上記の と を説明する際に述べたように、プラズマ 主にプラ ズマ密度、ラジカル・イオンの組成 の制御を高周波源 では誘導コイル、

ではドライブ電極にあたる により、ウェハに入射するイオンのエネルギーの 制御をウェハを装着した低周波電圧が印加されたバイアス電極を用いて独立に制御 することを意味する。このことは自由度の高いプラズマプロセスの設計・制御に貢 献する。

プラズマ空間構造の大口径均一性

半導体製造プロセスで用いられるウェハの直径は大口径化を続けており、現在の標 準的な ウェハの直径は 程度になっている。それに伴い、プラズマエッチ

ングの加工対象となる面積も増加している。その際には被加工材となるウェハ前面 でのプラズマ特性を空間的に均一にする必要がある。なぜなら、ウェハ前面でプラ ズマ構造 ここではプラズマポテンシャル、ラジカル・イオンの組成及び空間数密度 分布を指す が空間的に不均一であることはマクロなチャージングダメージ や不 均一なエッチレートに起因する物理的ダメージ等の多くの問題を生じさせるためで ある。

エッチングの再現性

プラズマエッチングを行うことにより、様々な物質 プラズマ中で生成されるラジカ ル、リアクタ壁及び被加工表面からから気相中に放出される諸物質 がリアクタ壁に 付着 再付着・堆積する。 例えば、エッチング時には被加工表面から多量の揮発性 エッチ生成物が放出される。それら、エッチ生成物は気相中でさまざまな反応過程 に関与するため、エッチング時のプラズマ構造は非エッチング時と異なり気相 表 面相互作用。エッチング終了後に再度プラズマを生成すると、リアクタ壁の付着物 質はプラズマ中に放出される 。そのため、プロセスを行なう度にプラズマ構造 電 子、イオン、中性ラジカルの組成、数密度及びに空間分布 は異なり、エッチング特 性も変化し、このことは、プロセスの再現性を低下させる主要因となる。つまり、

クリーニングを行わずにプロセスを続ける際には、これらプロセスによるプラズマ 特性の変化を把握、フィードフォワード し最終的な加工形状を一定

に保つ必要がある。 リアクタ壁の異常エッチングやエッチ生成物の気相及び表面で

の挙動を研究・解明することは、気相及び表面の相互作用が原因となるプラズマ特 性の変化に起因するエッチング特性の変化の影響を最小限に抑えるためには必要不 可欠である。

エッチング時の材料選択性

オーバーエッチ時には下地の素材がプラズマエッチングに晒される。その際には下 地へのダメージとエッチングを最小限に抑える必要がある。そのためには被加工材 のエッチレートに対する下地材料のエッチレートを低くする必要がある。この材料 選択性はエッチングガスとラジカル・イオンの組成を最適化することにより実現さ れる。

適切な加工形状の実現

プラズマ特性は被加工材のエッチング形状の決定要因である。プラズマ特性によっ ては被加工材に加工形状異常が生じる。代表的な加工形状異常を分類したものを のトレンチエッチングを例にとって、図 に示す。エッチングにより得られる加 工形状に影響を与える要因としては

入射イオンの指向性

入射粒子フラックスの組成とラジカル イオンフラックス比 ラジカル付着確率とイオンエッチング確率

保護膜形成

マスクのエッチング チャージアップ効果

が挙げられる 。以下で、図 に示した代表的な形状異常の要因について 述べる。

サイドエッチ

サイドエッチは主に側壁に形成される保護膜が不足し、エッチングされること で生じる。つまり、側壁に入射する中性ラジカル 保護膜を形成するラジカル 種を指す とイオン エッチング作用 とのバランスに問題がある状況下でサイ ドエッチは生じる。

ボウイング

チャージアップ効果 電子遮蔽効果 よる入射イオンの軌道変化、シース中での